张跃 杜英杰
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摘要：当前，随着我国科技的发展，机械臂由最初的简单平面搬运逐渐发展到现在的立体三维空间搬运，其任务的难度大大提升。因此，在搬运过程中如何精确快速地抓取目标物体，已经成为机械臂发展亟需解决的难题。
关键词：机械手臂；机械工程技术；应用分析
引言
随着科技的快速发展，德国工业4.0以及中国制造2025规划的出现，着重强调发展先进的机械技术。中国制造2025规划中强调重点发展高档数控机床、机械臂及高技术船舶、先进轨道交通装备、农业机械装备等多个领域，以提高制造业的水平。机械臂作为当今科研领域研究的一个热点，其技术及应用应进一步得到优化和普及。机械臂因其效率高、稳定性好、恶劣环境适应性强等优点，在工业、农业等许多领域已经转化为生产力为社会发展做出贡献。然而传统机械臂也存在自主性差、兼容性低等缺点，其多数应用在固定参数、流程甚至是固定运动轨迹的工作条件中，即使流程或工作对象发生细小改变也需要对作业系统和机械臂运动参数进行重新设定，因此，机械臂的技术升级工作和智能化研究是近年来的热点问题。
1.智能机械手臂的优势
智能拟人机械手的优势主要体现在几个方面：一是不仅能够模仿人手进行动作，而且兼顾了普通机械手的特点，比如取代反复、枯燥、沉重的体力劳动；二是可适应繁复艰苦的工作条件；三是提高工作效率和机械自动化应用率。简而言之，拟人机械手是一种自动装置，它能够按照一定的操作指令，模仿人体上肢动作，同时又兼具普通机械手的特点。因此，各行业争相引入。
2.我国机械手臂的应用发展现状
我国应用机械手臂进行生产制造的时间较晚，整体研究与设计规划仅5～6年，仍然处于模仿学习的阶段，对技术原理的细节尚未完全掌握。在这种情况下，机械手臂在机械工程技术领域的应用效果还存在较大的提升空间，需要结合相关资料与科研内容进行设计与改进，使其能够达到良好的生产制造标准。机械手臂的研究涉及位移路线、动力分配、系统调控等多方面内容，技术难度较高，规划结构较为复杂。根据相关统计数据显示，我国机械手臂的应用与生产状况仍然处于较为落后的状态，设备的数量稀少，但增长速度较快。这一特征表明我国机械手臂的应用市场较为广阔，对相关技术以及生产制造存在着庞大的需求。但是，机械手臂行业的核心资源欠缺对市场的发展造成了严重的限制，导致其设计与应用频频遇到障碍。因此，未来机械手臂在机械工程技术领域应用的过程中，应当针对实施技术类型与结构设计规划进行深入研究，尽可能明确相关细节，达到理想的分析效果，最终为后续的工业应用打下坚实基础，实现良好的发展目标。
3.机械手臂在机械工程技术领域的应用类型
3.1角坐标型机械手臂
机械手臂在机械工程技术领域应用过程中，直角坐标型机械手属于较为常见的类型之一。这一类型的机械手臂具有良好的精确度，对位置的掌控也处于较为优秀的级别。其工作空间变动不会影响其他参数，能够轻松达到良好的应用与制造效果。但是，直角坐标型机械手臂的位移与操作空间较为狭小，在进行收回操作的过程中，由于本身的结构与条件限制，还需要进行反方向伸出的操作。在这一问题的影响下，直角坐标型机械手臂的工作效率较低，容易产生不良问题。同时，这一类型的机械手臂对空间需求较高，容易缩减机械工程技术的整体空余状态。为了提高直角坐标型机械手臂的应用效果，需要在对应的工作类型中进行处理，并提供基础空间，避免出现位移问题，实现最佳应用目标。
3.2基于MCAA的机械臂路径规划
为了使机械臂在明确目标位置后能够在最短时间、最短距离准确抓取目标物体，本文中采用多种群蚁群算法（MCAA）把每个关节旋转的角度当做蚂蚁，在预选择中，每个种群的蚂蚁分别把集合Ai中的元素作为目标点并开始寻找路径，同时不断筛选出最短路径；在交互中，每个种群将各自的最短路径进行交互对比，寻找出最短的一条路径，即为每个臂关节旋转的适当角度。通过对机械手臂的每个关节运动过程进行分析，运用DH模型分析法，建立了机械手臂的数学运动模型；采用计算机求解出机械手臂的逆运动过程的解集；利用Matlab仿真工具验证提出的多种群蚁群算法，并与其他两种算法在相同的仿真条件下进行对比。最后，搭建实物样机验证了机械手臂工作原理、设计方案、仿真结果的可行性，为下一步的机械手臂运动优化设计奠定基础。
3.3空间机械臂
空间机械臂是一个空间机电系统，这个系统由机、电、热、控共同组成。随着空间技术(特别是航天飞机、空间站、空间机器人等)的飞速发展。空间机械臂在太空中的应用越来越广泛。空间机械臂主要有两大类:舱外机械臂、舱内机械臂。前者针对不同的工作任务需求，其自由度通常为5～10个，长度通常是从几米到十几米，主要安装载体在空间站、航天飞机、以及小型飞行器上。它主要的任务有:运送目标、辅助进行对接、摄影、在轨建设、抓捕或者释放卫星等，此外它还可以作为辅助设备，帮助航天员进行出舱活动。而后者具有尺寸小、运动范围小等特点，它的主要任务是更换设备部件、装配设备以及打捞空间漂浮物等。
3.4可编程机械臂技术及意义
美国作为科技强国，其机器人技术在世界上名列前茅。世界上第一台可编程机器人就诞生在美国，并且在1961年成功将其应用到美国通用汽车生产流水线上。斯坦福大学的研究人员于1966年成功研发出世界上第一台具有环境识别和环境建模能力的移动式机器人。1978年世界著名的机器人研发公司Unimation公司成功研发出一系列通用的、可编程、可灵活装配的机器人。同样，机器人技术强国日本，于1979年成功研发出世界上第一台用于垂直方向上装配的铰接式机器人。机械臂的发展及功能的多样化带动着国家经济的快速提升，利用先进的科研技术在机械臂研发与应用领域占据了智能化市场;劳动工具是生产力发展水平的主要标志，国外的机械臂技术不断为经济各部门提供先进的技术装备，保证各部门的生产在先进技术的基础上不断发展，从而带动整个国家经济的现代化，有效体现了机械臂技术研发与应用重要性及必要性。
4.智能机械手臂的未来发展趋势
作为现在机器人研究领域里比较关注的技术，信息融合能够充分利用不同的传感器对时间和空间的冗余信息导出更多有效信息，它的概念是利用计算机技术将来自不同传感器或者不同来源获取的信息进行一系列分析与处理，最终得出一个评估任务和决策的信息处理过程。
结束语
综上所述，机械手臂在机械工程技术领域具有重要的应用意义。通过深入分析，能够明确其技术类型与应用细节，并了解结构设计的对应需求。为了以后的进一步发展，应当针对机械手臂的应用进行后续推广，使其能够在机械工程技术领域发挥良好的应用效果，最终实现最佳经济效益目标，达到优秀的生产制造标准。
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